Aufbau eines Mikroskops

Was ist ein Mikroskop?

Mikroskope sind Instrumente, die vergrößerte visuelle oder fotografische Bilder von kleinen Objekten erzeugen. Ein Mikroskop muss drei Aufgaben erfüllen: ein vergrößertes Bild erzeugen, die Details im Bild einzeln darstellen und diese Details für das menschliche Auge oder die Kamera sichtbar machen. Zu dieser Gruppe von Instrumenten gehören mehrlinsige Mikroskope mit Objektiven und Kondensoren sowie einfache einlinsige Geräte, die oft in der Hand gehalten werden, z. B. eine Lupe.

Teile eines einfachen zusammengesetzten Mikroskops

Das Mikroskop in Abbildung 1 ist ein einfaches zusammengesetztes Mikroskop, wie es der britische Mikroskopiker Robert Hooke in den 1660er Jahren erfand.

Teile eines Hooke-Mikroskops

Bei diesem wunderschön gearbeiteten Mikroskop befindet sich das Objektiv in der Nähe des Präparats und wird in den Fokus gebracht, indem das Mikroskopgehäuse gedreht wird, um den Abstand zwischen Objektiv und Präparat zu vergrößern oder zu verkleinern. Am oberen Ende des Mikroskops befindet sich ein Okular, in vielen Fällen mit einer interne Feldlinse im Tubus, um das Sichtfeld zu vergrößern.

Das Mikroskop in Abbildung 1 wird durch eine Öllampe und eine mit Wasser gefüllte Glaskugel beleuchtet (ebenfalls in Abbildung 1 dargestellt). Das Licht der Lampe wird beim Durchgang durch die Glaskugel gestreut und dann mit einer an der Glaskugel befestigten Linse auf das Präparat fokussiert. Bei diesem frühen Mikroskop trat eine chromatische (und sphärische) Aberration auf: alle Bilder, die bei weißem Licht betrachtet wurden, besaßen blaue oder rote „Halos“.

Der Zusammenhang zwischen Mikroskop und Auge

Da viele Mikroskopbenutzer die direkte Beobachtung bevorzugen, ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen Mikroskop und Auge zu verstehen. Unser Auge kann Farben im sichtbaren Bereich des Spektrums unterscheiden: von Violett über Blau und Grün bis hin zu Gelb, Orange und Rot; ultraviolette und infrarote Strahlen kann es jedoch nicht wahrnehmen.

Das Auge kann auch Helligkeits- oder Intensitätsunterschiede wahrnehmen, die von Schwarz über Grautöne bis Weiß reichen. Damit ein Bild vom Auge wahrgenommen werden kann, muss es in den Farben des sichtbaren Spektrums und/oder in unterschiedlichen Lichtstärken dargestellt werden.

Die Rezeptoren unserer Augen für die Farbwahrnehmung werden als „Zapfen“ bezeichnet. Die Zellen zur Unterscheidung der Helligkeitsstufen, nicht der Farben, sind die „Stäbchen“. Beide Zellarten befindet sich auf der Netzhaut an der Rückseite des Augeninneren. Der vordere Teil des Auges (siehe Abbildung 2) mit der Iris, der gekrümmten Hornhaut und der Augenlinse lässt das Licht einfallen und bündelt es auf der Netzhaut.

Damit ein Bild scharf gesehen werden kann, muss es mit einem ausreichenden Sehwinkel auf die Netzhaut fallen. Nur wenn das Licht auf nicht benachbarte Reihen von Netzhautzellen fällt (zur Vergrößerung und Ausbreitung des Bildes), sind wir in der Lage, dicht beieinander liegende Details getrennt zu erkennen (sie aufzulösen). Außerdem muss ein ausreichender Kontrast zwischen benachbarten Details und/oder dem Hintergrund vorhanden sein, damit das vergrößerte, aufgelöste Bild sichtbar wird.

Da die Augenlinse ihre Form nur begrenzt verändern kann, können Objekte, die sehr dicht an das Auge herangeführt werden, auf der Netzhaut nicht scharf abgebildet werden. Der übliche Betrachtungsabstand beträgt ca. 25 Zentimeter.

Geschichte des Mikroskops

Das einfache Mikroskop

Vor mehr als 500 Jahren wurden einfache Glaslupen in Form von Sammellinsen (in der Mitte dicker als am Rand) entwickelt. Das Präparat oder Objekt kann dann mit Hilfe der Lupe zwischen Objekt und Auge fokussiert werden. Diese einfachen Mikroskope konnten ein größeres Bild auf der Netzhaut erzeugen, indem sie den Blickwinkel auf der Netzhaut vergrößerten.

Das einfache Mikroskop bzw. die Lupe wurde in den 1600er Jahren durch die Arbeit von Anton von Leeuwenhoek optimiert. Ihm war es gelungen, einzellige Lebewesen (die er „animalcules“ nannte) und sogar größere Bakterien mit einem einfachen Mikroskop ähnlich dem in Abbildung 3 unten zu sehen.

Das von dieser, dicht an das Auge des Betrachters gehaltenen Lupe erzeugte Bild erscheint so, als befände es sich auf der gleichen Seite der Linse wie das Objekt. Ein solches Bild, das aussieht, als wäre es 25 cm vom Auge entfernt, wird als virtuelles Bild bezeichnet und kann nicht auf Film aufgenommen werden.

Teile eines einfachen Mikroskops

Das zusammengesetzte Mikroskop

Zu Beginn des 16. Jahrhunderts wurde durch Arbeiten, die den Brüdern Janssen in den Niederlanden und Galilei in Italien zugeschrieben werden, das zusammengesetzte Mikroskop entwickelt (siehe Mikroskop in Abbildung 4).

Teile eines zusammengesetzten Mikroskops

In seiner einfachsten Form bestand das zusammengesetzte Mikroskop aus zwei hintereinander angeordneten konvexen Linsen: einem Objektglas (Objektiv), das sich dicht vor dem Objekt oder Präparat befand, und einem Okular dicht vor dem Auge des Beobachters (mit Möglichkeiten zur Einstellung der Position des Präparats und der Mikroskoplinsen). Das Objektiv projiziert ein vergrößertes Bild in den Tubus des Mikroskops, das Okular vergrößert dann das vom Objektiv projizierte Bild nochmals. Damit erreicht das zusammengesetzte Mikroskop eine zweistufige Vergrößerung.

Zusammengesetzte Mikroskope, wie sie im 17. und 18. Jahrhundert entwickelt wurden, wiesen eine optische (sowohl chromatische als auch sphärische) Aberration auf, ein Nachteil, der durch die Verwendung mehrerer Linsen noch verstärkt wurde. Wegen solcher Artefakte waren diese Mikroskope den Einlinsenmikroskopen der damaligen Zeit eigentlich unterlegen. Die erzeugten Bilder waren oft unscharf und hatten aufgrund der chromatischen Aberrationen farbige Lichthöfe, die nicht nur die Bildqualität, sondern auch die Auflösung beeinträchtigten.

Mitte des 17. Jahrhunderts entdeckten die Linsenhersteller, dass durch die Kombination von zwei Linsen aus Gläsern mit unterschiedlicher Farbdispersion die chromatische Aberration deutlich verringert oder beseitigt werden konnte. Diese Entdeckung wurde zuerst in Teleskopen genutzt, die viel größere Linsen haben als Mikroskope. Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden chromatisch korrigierte Linsen in zusammengesetzten Mikroskopen üblich.

Fortschritte bei zusammengesetzten Mikroskopen

Im 18. und 19. Jahrhundert wurden die mechanischen und optischen Eigenschaften zusammengesetzter Mikroskope stark verbessert. Modernere Werkzeugmaschinen ermöglichten die Herstellung präziserer Teile. Mitte des 18. Jahrhunderts war Messing die bevorzugte Legierung zur Herstellung hochwertiger Mikroskope.

Zu dieser Zeit gab es viele erfolgreiche britische und deutsche Mikroskophersteller. Ihre Mikroskope unterschieden sich stark in Aufbau und Produktionsqualität, aber die allgemeinen Prinzipien, welche die optischen Eigenschaften bestimmen, waren relativ gleich. Das Mikroskop in Abbildung 5 wurde um 1850 von Hugh Powell und Peter Lealand hergestellt. Der Dreibein-Sockel bot einen stabilen Halt für das Mikroskop, das von vielen als das modernste seiner Zeit angesehen wird.

Die Teile eines Powell- und Leland-Mikroskops

Ende des 19. Jahrhunderts herrschte starker Wettbewerb unter den Mikroskopherstellern. Infolgedessen spielten die Entwicklungs- und Produktionskosten von Mikroskopen eine wichtige Rolle. Messing, das bevorzugte Material der Mikroskophersteller, ist sehr teuer. Auch die Bearbeitung, Politur und Lackierung von Mikroskopgehäusen und anderen Messingteilen war eine mühsame Aufgabe. Um die Kosten zu senken, begannen die Mikroskophersteller zunächst damit, Gehäuse und Stativ des Mikroskops sowie den Objekttisch und andere nicht bewegliche Teile außen zu lackieren.

Mikroskope des 20. Jahrhunderts

Im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts begannen viele Mikroskophersteller, bei Mikroskopstativen und -tischen Messing durch Gusseisen zu ersetzen. Gusseisen war viel billiger und war, wenn es schwarz lackiert war, nicht von Messing unterscheidbar. Die Hersteller begannen auch, viele kritische Messingteile wie Knöpfe, Objektivtubus, Objektivrevolver, Okulare und mechanische Tischbaugruppen zu galvanisieren (siehe Abbildung 6 unten).

Diese Mikroskope des frühen 20. Jahrhunderts hatten noch einen einheitlichen Grundaufbau. Sie waren Monokularmikroskope mit einem Unterspiegel, der mit einer externen Lampe zur Beleuchtung des Präparats verwendet wurde. Ein typisches Mikroskop dieser Zeit ist das Zeiss-Labormikroskop in Abbildung 6. Diese Art von Mikroskop ist sehr funktionell und zum Teil heute noch in Gebrauch.

Teile eines Zeiss-Labormikroskops

Moderne Mikroskope

Moderne Mikroskope besitzen bei weitem bessere Eigenschaften als die Mikroskope, die vor Mitte der 1900er Jahre hergestellt wurden. Die Glasformeln wurden erheblich verbessert und ermöglichen eine bessere Korrektur der optischen Aberration als je zuvor. Die synthetischen Antireflexbeschichtungen für Linsen sind heute sehr weit fortgeschritten. Dank der Technologie der integrierten Schaltkreise können die Hersteller „intelligente“ Mikroskope anbieten, bei denen Mikroprozessoren in das Mikroskopstativ integriert sind. Mit Zusatzgeräten zur Überwachung der Lichtintensität, zur Berechnung der Belichtungszeit je nach Filmempfindlichkeit und zur automatischen Durchführung komplizierter Aufgaben wie Belichtungsreihen, Mehrfachbelichtungen und Zeitrafferaufnahmen ist die Mikrofotografie einfacher als je zuvor.

Das Mikroskop in Abbildung 7 ist ein Olympus Provis AX70 Forschungsmikroskop. Dieses in den 1990er Jahren eingeführte Mikroskop ist eine ausgeklügelte Konstruktion mit mehreren Beleuchtungen (episkopisch und diaskopisch), Analysatoren und Polarisatoren, DIC-Prismen, Fluoreszenzvorsätzen und Phasenkontrastfunktionen. Das Mikrofotografiesystem verfügt über Spotmessung, automatische Belichtungssteuerung und Zoomvergrößerung für flexible, einfache Einzelbildaufnahmen. Der Y-förmige Rahmen verbessert Ergonomie und Benutzerfreundlichkeit. Heute entwickeln Mikroskophersteller ständig neue Mikroskop-Technologien, um Benutzerkomfort und Benutzerfreundlichkeit zu verbessern und neue Forschung zu unterstützen.

Teile eines Olympus Provis AX70 Mikroskops

Praktische Anwendungen für die Mikroskopie

Praktisch jeder hat schon einmal die Welt durch ein optisches Mikroskop betrachtet. Die meisten Menschen machen diese Erfahrung im Biologieunterricht in der Schule oder an der Universität, auch wenn einige wissenschaftliche Unternehmer eigene Mikroskope entweder einzeln oder als Teil eines wissenschaftlichen Kits gekauft haben.

Die Fotografie durch das Mikroskop, die so genannte Mikrofotografie, ist für Wissenschaftler seit langem ein nützliches Instrument. Die Biologie und Medizin stützen sich in hohem Maße auf die Mikroskopie, um morphologische Merkmale von Präparaten genauer zu bestimmen sowie optische Merkmale und Daten quantitativ zu erfassen. So erwies sich das Lichtmikroskop als nützliches Instrument zur Erforschung der Geheimnisse des Lebens.

Die Mikroskopie hat sich zu einem beliebten Werkzeug in der Physik und den Materialwissenschaft sowie der Halbleiterindustrie entwickelt, da die Oberflächenmerkmale neuer Hightech-Materialien und integrierter Schaltungen geprüft werden müssen. Die Mikroskopie hat sich auch in der Forensik als nützlich erwiesen, da Kriminaltechniker Haare, Fasern, Kleidung, Blutflecken, Kugeln und andere mit Verbrechen in Verbindung stehende Objekte untersuchen müssen. Fortschritte im Bereich der Fluorochromfärbungen und der monoklonalen Antikörpertechniken machten den Weg frei für eine verstärkte Nutzung der Fluoreszenzmikroskopie sowohl in der biomedizinischen Analyse als auch in der Zellbiologie.

Unterschied zwischen biomedizinischer und Werkstoffmikroskopie

Der grundlegende Unterschied zwischen Mikroskopen für die Biomedizin und die Werkstoffprüfung besteht darin, wie das Mikroskop Licht auf das Präparat projiziert. In der klassischen biologischen Mikroskopie wird das Licht durch sehr dünne Präparate geleitet (transmittiert), mit dem Objektiv fokussiert und dann in die Okulare des Mikroskops geleitet.

Um die Oberfläche integrierter Schaltkreise (das Innenleben moderner Computer) zu betrachten, wird Licht durch das Objektiv geleitet und dann von der Oberfläche des Präparats zurück in das Mikroskopobjektiv reflektiert. In der wissenschaftlichen Terminologie werden Durchlicht- und Auflichtmikroskopie als diaskopische bzw. episkopische Beleuchtungsmikroskopie bezeichnet. Die Mikrofotografien in unseren Fotogalerien stammen aus durchlicht- und auflichtmikroskopischen wissenschaftlichen Untersuchungen.

Ein häufiges Problem in der Mikroskopie ist der schlechte Kontrast, wenn Licht durch sehr dünne Präparate fällt oder von stark spiegelnden Oberflächen reflektiert wird. Daher wurden verschiedene optische Techniken entwickelt, die den Kontrast erhöhen und Farbvariationen in den Präparaten erzeugen sollen. Solche optischen Techniken sind unter anderem:

• Polarisiertes Licht
• Phasenkontrast-Bildgebung
• Differenzieller Interferenzkontrast
• Fluoreszenzbeleuchtung
• Dunkelfeldbeleuchtung
• Rheinberg-Beleuchtung
• Hoffman-Modulationskontrast
• Verwendung verschiedener optischer Gelatinefilter

Eine ausführliche Vorstellung dieser optischen Techniken finden Sie im Abschnitt Spezielle Mikroskopietechniken dieser Einführung. Der Einfachheit halber sind die Referenzen sowohl in der klassischen bibliographischen Form als auch als Website-Links angegeben. Mithilfe dieser Ressourcen können Sie mehr über Mikroskopie und Mikrofotografie erfahren und Ihre Erkenntnisse an andere weitergeben.